Ý tưởng chống phun nước trên xe F1 phức tạp hơn bạn nghĩ

Bộ bảo vệ phun nước (spray guard) nguyên mẫu đầu tiên của FIA đã từng được thử nghiệm tại Silverstone vừa qua. Tuy nhiên, sau ngày cuối tuần tại GP Anh 2023, chúng đã không hoạt động như mong đợi, và rõ ràng là F1 cần phải làm nhiều việc hơn nữa trước khi có một giải pháp khả thi.

Mục tiêu của phát kiến này là cải thiện tầm nhìn của các tay đua, bằng cách giảm 50% lượng nước (nước mưa) phun lên từ xe. Trên thực tế, đây khó mà trở thành một giải pháp khả thi.

Từ những gì chúng ta đã thấy về thiết kế đầu tiên của FIA, thật không ngạc nhiên khi chúng không cho thấy sự hiệu quả. Lượng nước phun ra phía sau xe là rất lớn, và vấn đề không chỉ là cách lốp xe phân tán lượng nước đó ra sao. Vì những chiếc xe đua cũng giống như những chiếc máy hút bụi khổng lồ - chúng hút mọi thứ lên và ném ra phía sau.

Chắc chắn là ý tưởng trên vẫn có khả năng tạo ra một số cải tiến, nhưng hiện tại thì chưa đủ. Nếu muốn đánh giá đúng độ lớn của vấn đề, bạn chỉ cần ngồi sau một chiếc xe tải trên đường cao tốc dưới trời mưa, và sau đó nhân số tia nước bắn lên với 100.

Vậy, nỗ lực thiết kế tiếp theo sẽ trông như thế nào?

Hãy quan sát luồng không khí thông thường xung quanh một bánh xe đang quay. Luồng không khí chảy từ trái qua phải, cho đến vị trí khoảng 10 giờ thì luồng này tách ra và hướng vào bên trong hoặc bên ngoài lốp. Từ vị trí khoảng 10 giờ trở đi, luồng không khí bắt đầu đi qua đỉnh lốp.

Ở điểm dưới cùng của lốp xe (nơi tiếp xúc với mặt đường) xuất hiện vụn lốp. Đó là nơi không khí giữa lốp xe và mặt đất bị ép lại và phun ra hai bên.

Khi trời mưa, các đặc tính của dòng nước phun sẽ không khác biệt quá nhiều. Đỉnh của phần ta lông trên lốp trung gian (lốp I) và lốp ướt (lốp W) được thiết kế để bơm nước ra khỏi bề mặt tiếp xúc, nhằm giảm nguy cơ đọng nước trên lốp. Điều này là cần thiết nhưng cũng tạo ra thêm vấn đề.

Ở trên, chúng ta đang chỉ tập trung vào bánh xe mà bỏ qua phần còn lại của xe, cũng như ảnh hưởng của cấu trúc dòng chảy đến nơi tập trung dòng chảy (không khí hoặc nước). Hãy cùng tiếp tục xem xét điều này trong triết lý thiết kế cấu trúc dòng chảy (flow structure) tổng thể.

Về cơ bản, xe có áp suất phân tán cao ở phía trước lốp xe, và chia ra khoảng 80% lưu lượng xung quanh hai bên lốp và 20% trên đỉnh lốp. Dòng chảy đó được kéo vào khoảng trống do lốp xe tạo ra.

Điều này có nghĩa là xe nhận được rất nhiều chuyển động xung quanh từ các bên, và tất cả đều cố gắng ăn khớp với bánh xe. Chúng đặc biệt xảy ra ở phía sau vết bánh xe (khu vực tiếp xúc giữa lốp với mặt đường), ở vị trí mà lốp vừa mới chạm đất, vì đây là khu vực có áp suất thấp nhất.

Điều này có nghĩa là giải pháp cần tập trung vào góc phần tư dưới phía sau của lốp, tính từ đường tâm trục trở xuống. Điều này giải thích tại sao thiết kế ban đầu của FIA là một bản gồm hai phần: phần dưới xử lý dòng nước ra khỏi vết bánh xe, và phần trên xử lý dòng nước qua đỉnh lốp.

Như vậy, chúng ta cần đặt phần dưới của tấm chắn càng thấp càng tốt, đồng thời chừa ra một khoảng để luồng không khí và nước thoát ra ngoài.

Tấm chắn cũng có thể rộng bản hơn lốp xe, nhưng điều này sẽ không khả thi vì chúng gây khó khăn trong việc thay lốp trong pit. Chưa hết, điều quan trọng hơn nhiều là lốp cực kỳ dễ bị “tổn thương” khi có va chạm giữa hai chiếc xe.

Hãy nhớ rằng, những thứ này cần được thiết kế để được lắp vào chưa đầy 5 phút trước một phiên đua, trong điều kiện ẩm ướt khắc nghiệt, hoặc trong thời gian dừng cờ đỏ, sau đó để nguyên trong suốt thời gian đua đó.

Do mức áp suất thấp bên dưới sàn xe, dòng chảy từ các bánh xe sẽ bị kéo xuống dưới xe. Chúng chứa đầy những giọt nước nhỏ. Do đó, bộ phận chống phun cần đưa dòng chảy về khu vực áp suất thấp phía sau lốp xe, rồi cho phép chúng thoát ra bề mặt đường đua.

Điều này có nghĩa là chúng ta có thể tạo ra một thiết kế “tấm chắn bùn” phía sau, bằng cách nới rộng ý tưởng thiết kế ban đầu của FIA.

Thật ra một ý tưởng như vậy không có gì là mới lạ cả. Trở về hồi đầu năm 1991, F1 đã từng có có các tấm đuôi cánh (ở cánh trước) chạy quanh phần bên trong bánh (vùng elip màu đỏ trong hình dưới) để dẫn dòng nước.

Bộ phận này kết thúc tại mép sau của lốp trước, với mục đích giảm lượng không khí bị kéo xuống dưới mép dẫn của sàn xe.

Chưa hết, một chi tiết cuộn (scroll) ở mép sau của đuôi cánh (mũi tên xanh lam) tạo ra một dòng xoáy không khí. Dòng xoáy này giúp cải thiện lực hút tác dụng lên luồng không khí từ phía trước lốp xe (mũi tên xanh lục).

Không được thể hiện trong hình trên, nhưng ngoài ra còn có một chi tiết nữa nằm giữa trục bánh và mép sau của lốp. Chi tiết này được đặt thấp ngang sàn xe, nằm song song bề mặt đường đua, và có thể được kết hợp hiệu quả với các ống dẫn phanh (brake duct) thông qua một vài cái chốt.

Do cấu trúc dòng chảy là khác nhau ở đầu và đuôi xe, thiết kế bộ phận chống phun cho phía trước và phía sau sẽ cần phải khác biệt. Sau đó, khi thử nghiệm trên đường đua, chúng có thể được các đội tối ưu hóa theo ý muốn để tối đa hiệu suất tại mỗi khu vực của chiếc xe.

Nhưng tại sao không dùng một vỏ bánh xe bao lấy hoàn toàn lốp xe (giống như mấy con xe Corolla Altis hay Ford Ranger chạy đầy đường Việt Nam)?

Thực tế thì tất cả đều có thể, nhưng làm vậy sẽ thay đổi công thức bánh hở. Sẽ không ai ủng hộ giải pháp này, tôi không ủng hộ và hy vọng độc giả cũng vậy.

Có lẽ đã đến lúc F1 cho các đội thêm một chút thời gian ở đường hầm gió và trên CFD, đồng thời bố trí một vài sinh viên khoa hàng không có kinh nghiệm làm việc vào dự án. Sau đó, các bên cùng hợp nhất các thiết kế thành một giải pháp tiêu chuẩn tiềm năng toàn diện.